Приемные устройства АЛСН

Методические указания

к лабораторной работе П-16 по курсу

«Автоматика и телемеханика на перегонах»

ЛЕНИНГРАД

Целью лабораторной работы является оценка факторов, влияющих на функционирование приемных устройств автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа /АЛСН/ на основе числового кода, изучение электрических схем локомотивного усилителя типа УК 25/50М-Д и исследование его основных технических характеристик.

I ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для передачи информации по каналам АЛСН, в качестве которых используются рельсовые цепи, в системах интервального регулирования движения поездов /ИРДП/ необходимо решить ряд сложных технических задач. Главными из них являются обеспечение достаточной надежности аппаратуры и высокой достоверности передачи информации.

Требование к надежности локомотивной аппаратуры, в том числе к ее приемным устройствам, объясняется тем, что типовая система АЛСН построена по наиболее простому одноканальному варианту без элементов дублирования, при котором отказ любого прибора в последовательной цепочке канал ведет к отказу всей системы. При этом ухудшаются условия ведения поезда, нарушается контроль скорости движения и бдительности машиниста, то есть уменьшается безопасность движения поездов.

В рассматриваемой типовой системе АЛСН на базе числового кода, выполненной на дискретных элементах, срок наработки на отказ составляет практически не менее 2000 часов.

С такими параметрами надежности требуется организация постоянной службы технического обслуживания АЛСН в локомотивных депо.

Для этой цели созданы специальные подразделения – контрольно-испытательные пункты /КИП АЛС/ и контрольные пункты автоматической локомотивной сигнализации /КП АЛС/.

Требования к высокой достоверности команд, передаваемых от напольных устройств ИРДП к локомотивным, более жесткие. Это объясняется тем, что в ряде случаев АЛСН служит основным средством сигнализации для машиниста о состоянии впередилежащих блок-участков, то есть непосредственно обеспечивает безопасность движения. Поэтому при создании новых систем АЛСН на базе средств микропроцессорной техники принято, что вероятность необнаружения ошибки в информации, используемой для управления движением поездов, должна составлять величину не более при среднем интервале обработки информации, не содержащей ошибок, равном 50-ти годам /I/. /Напомним, что информация, передаваемая стандартным телеграфным кодом, имеет вероятность ошибки … /. При разработке типовой системы АЛСН на базе числового кода таких требований к достоверности информации не предъявлялось, она допускает кратковременную ложную сигнализацию на локомотивном светофоре. Поэтому АЛСН используется как дублирующая система сигнализации совместно с автоблокировкой.

2. ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ АЛСН
ПО РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ

Сигнальный ток образует вокруг рельсов переменное электромагнитное поле, которое воздействует на приёмные катушки, размещенные перед первой колесной парой локомотива над каждым рельсом. Обмотки приемных катушек включены согласно, т.к. сигнальный ток в рельсах имеет противоположное направление, благодаря чему ЭДС, наведённые в них, суммируются.

Величина ЭДС, наводимой в каждой приемной катушке сигнальным током Iс, определяется из выражения, В

/1/

где – частота сигнального тока АЛСН, – индукция магнитного поля,

– число витков приемной катушки, – площадь сечения сердечника приемной катушки.

На практике величину ЭДС Eпк приемных катушек находят так же по

формуле, B

/2/

где – экспериментально полученное значение взаимной индукции определенных типов катушек и рельсов.

Вместе с полезными сигналами АЛСН на приемные катушки локомотива оказывают существенное влияние электромагнитные помехи, вызванные целым рядом факторов. Доминируют среди них помехи, образуемые тяговыми токами и их гармоническими составляющими.

Для тягового тока рельсовая цепь не образует замкнутого контура. Поэтому его составляющие, протекающие по обоим рельсам, действуют в одном направлении. ЭДС, наводимые ими в приемных катушках, направлены встречно. При равенстве составляющих тягового тока суммарная ЭДС, индуктированная электромагнитными помехами тягового тока, будет близка к нулю.

Воздействие тягового тока и его гармонических составляющих, то есть гармонических или сосредоточенных помех, объясняется асимметрией тяговых токов в рельсах. Явление асимметрии тяговых токов возникает при неравенстве сопротивлений рельсов, например, вследствие обрывов стыковых соединителей в одном из них, неравенстве сопротивлений изоляции рельсов относительно земли и по другим причинам.

ЭДС помехи , наводимая в каждой из приемных катушек локомотива, как следствие асимметрии тяговых токов, может быть определена на основе формулы /2/.

При электротяге переменного тока доминирующее мешающее влияние оказывают основная частота и ее нечетные гармоники: 50, 150, 250, 350 Гц и т.д. Исследованиями установлено, что при тяговом токе величиной до 250 А расчетные токи асимметрии для указанных выше гармоник следует принять в пределах: 30; 8,0; 3,6: 1,8 А и т.д., соответственно, что превышает нормативную минимальную величину сигнального тока 1,4 А.

При электротяге постоянного тока доминирующее мешающее влияние на приемные катушки локомотива оказывают четные гармоники промышленной частоты, кратные 300 Гц /300, 600, 900,,, Гц/. Это связано с особенностью построения выпрямителей и фильтров тяговых подстанций. Расчетный ток асимметрии для четных гармоник тягового тока принят равным 10 А, что также в несколько раз превышает минимальное значение сигнального тока АЛСН, составляющего для этого вида тяги величину 2 А.

Из изложенного следует, что для защиты от гармонических помех локомотивных устройств АЛСН необходимо применять узкополосные фильтры, представляющие собой большое сопротивление как для четных, так и для нечетных гармоник тягового тока. При этом частоты сигнального тока не должны быть кратными частоте тягового тока и его гармонических составляющих.

Не менее существенное мешающее влиянии на работу бортовой аппаратуры АЛСН оказывают импульсные помехи. Причина их возникновения связана в основном с резким изменением переходных сопротивлений между бандажами колесных пар электровоза и рельсами. В результате этих явлений в приемных катушках локомотива возникают мощные электромагнитные импульсы, осуществляющие “раскачку” локомотивного фильтра на частоте сигнального тока. Поэтому импульсные помехи не могут быть подавлены локомотивным фильтром.

На основании экспериментов было установлено следующее:

- амплитуда сигнала помехи может превышать уровень информационного сигнала;

- с ростом частоты сигнального тока влияние помех будет уменьшаться, а пик их интенсивности приходится на частоту 50 Гц;

- длительность импульсных помех не превышает 0,2 с, причем основная их часть имеет длительность, не превышающую 0,1 с. Поэтому для защиты от импульсных помех следует применять ограничение сигнала как по амплитуде, так и по времени.

Источниками как сосредоточенных, так и импульсных помех может являться также энергетическое оборудование локомотива. В первую очередь, это относится к локомотивному генератору, который используется для питания устройств АЛСН, а также для питания схем управления локомотивом и цепей поездного освещения.

При синтезе схем локомотивных устройств АЛСН были учтены также следующие особенности их работы:

- для электропитания устройств АЛСН /10…15 В/ должен использоваться генератор постоянного тока напряжением 50 В, который не обладает высокой стабильностью выходного напряжения;

- уровень сигнального тока в рельсах возрастает в 10…15 раз при движении локомотива к датчику кодов рельсовой цепи;

- диапазон температур, при которых усилитель должен сохранять работоспособность, составляет -40…+50С;

- значительный уровень вибрации;

- невозможность ремонта силами локомотивной бригады.

3. ПРИЕМНЫЕ КАТУШКИ

Каждая приемная катушка состоит из сердечника, набранного из листовой стали, на котором помещена обмотка из 3200 витков медного провода. Обмотка заключена в защитный силуминовый кожух. Обмотки имеют следующие электрические характеристики: активное сопротивление переменному току частотой 50 Гц для катушек, устанавливаемых на тепловозах, составляет 400 Ом, а на электровозах – 650 Ом. Индуктивность катушек для тепловозов составляет 6,0 0,25 Гн, а для электровозов – 7,1 0,25 Гн. Сигнальный ток АЛСН в рельсах величиной 10 А и частотой 50 Гц должен наводить в каждой из катушек, подвешенных на высоте 150 мм над уровнем головки рельса, ЭДС не менее 0,8 В. Расстояние между катушкой и головкой рельса, которое меняется в процессе эксплуатации вследствие износа бандажей колес, должно быть при любых условиях не более 180 мм и не менее 100 мм.

Индуктированные в приемных катушках сигналы подаются через локомотивный фильтр типа ФЛ25/75 М на входы локомотивного усилителя.

4. ЛОКОМОТИВНЫЙ ФИЛЬТР

Для защиты от тягового тока частотой 50 Гц и его гармонических составляющих в локомотивных устройствах АЛСН отечественных железных дорог применяется локомотивный фильтр типа ФЛ25/75 М /рис. 1/. Фильтр имеет две полосы пропускания. Ширина полосы пропускания частоты 25 Гц равна 10…14 Гц, ширина полосы пропускания частоты 75 Гц составляет 20…25 Гц. Фильтр ослабляет сигналы помех частотой 50 Гц – в 1000 раз, 100 Гц – в 40 раз, 150 Гц – в 500 раз /2/.

Фильтр ФЛ 25/75 М имеет Т-образную схему. Входное продольное плечо образует два контура: последовательный, содержащий приемные катушки локомотива и конденсатор С1, и параллельный, образованный элементами ДР3-С3. Выходное продольное плечо фильтра содержит также два контура: параллельный контур ДР6-С6 и последовательный контур ДР5-С7-С5. Поперечное плечо фильтра строится из двух соединенных последовательно параллельных контуров: ДР2-С2 и ДР4-С4.

Параметры индуктивностей и емкостей контуров подобраны определенным образом. Так, контур, содержащий приемные катушки и конденсатор С1, имеет резонанс на частоте 37,5 Гц; контур ДР3-С3 обладает наибольшим сопротивлением току частотой 50 Гц – около 40 кОм создавая “пробку” для прохождения сигналов этой частоты на выход фильтра; контуры ДР2-С2 и ДР4-С4 настроены соответственно на 25 и 75 Гц и имеют в то же время весьма малое сопротивление для токов частотой 50 Гц, шунтируя от помех этой частоты выход фильтра.

Для сигнального тока частотой 25 Гц полные сопротивления последовательных контуров продольных плеч фильтра имеют емкостной, а параллельных – индуктивный характер, образуя в целом цепь, настроенную на резонанс токов частотой 25 Гц. В то же время последовательные контуры продольных плеч фильтра для токов частотой

75 Гц представляют собой индуктивное, а параллельные контуры – емкостное сопротивление, создавая цепь, настроенную на резонанс токов частотой 75 Гц. Таким образом, обе сигнальные частоты АЛСН проходят с минимальными потерями с входа на выход фильтра.

7. ЛОКОМОТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

На отечественных железных дорогах эксплуатируются два типа локомотивных усилителей сигналов АЛСН: типа УК25/50М и его модернизированный вариант типа УК25/50М-Д /рис. 2/. Модернизация усилителя выполнялась с целью повышения надежности его работы, уменьшения влияния на его функционирование низких температур, упрощения технического обслуживания и ремонта, а также в связи с заменой элементов усилителя на более совершенные /3/.

В локомотивном усилителе типа УК25/50М-Д можно условно выделить четыре функциональных узла: входной, собственно усилитель, выходной и узел регулировки.

Основными элементами входного узла являются трансформаторы Т1 и Т2, обеспечивающие согласование относительно низких выходных сопротивление приемных катушек и локомотивного фильтра с достаточно высоким входным сопротивлением первого каскада усилителя. Во входном узле при приеме кодового сигнала частотой 50 Гц образуется фильтр, настроенный на эту частоту, состоящий из двух связанных контуров. Первый контур образован индуктивностью приемных катушек, первичной обмоткой трансформатора Т1 и емкостью С1 /реле В – включено/. Второй контур включает индуктивность вторичной обмотки того же трансформатора и емкость конденсатора С2. Этот фильтр имеет полосу пропускания 45…55 Гц. Добротность фильтра равна пяти.

Усилитель выполнен на транзисторах VT1…VT5 типа КТ209Е. Первые три каскада усилителя построены по однотактной, а последний четвертый каскад – по двухтактной схеме. Благодаря многокаскадности усилитель имеет коэффициент усиления около 10000. /мощность на входе усилителя может составлять величину порядка 5 мкВт, а выходная мощность должна быть не менее 50 мВт/.

Особенностью усилителя является наличие между его вторым и третьим каскадами схемы автоматической регулировки усиления / АРУ /.

Транзистор VT1 первого каскада включен по схеме с общим эмиттером. Конденсатор С5, емкостью 0,05 мкФ, включенный между его базой и эмиттером, шунтирует вход первого каскада по переменному току высокой частоты, предотвращая самовозбуждение усилителя. Напряжение смещения на базу транзистора подается с резистора R8, входящего в делитель R8, R9, R15. Оно составляет около 2В. Резистор R7 ограничивает его коллекторный ток.

Резисторы R5 и R6 образуют отрицательную обратную связь по постоянному току, что способствует стабилизации рабочей точки транзистора при изменении температуры окружающей среды. Для исключения отрицательной обратной связи по переменному току эмиттера этот резистор зашунтирован конденсатором C4, имеющим большую емкость /2000 мкФ/. Благодаря большой емкости конденсатор С4 поддерживает постоянное напряжение на резисторе R5 при значительных изменениях эмиттерного тока, так как в отрицательный полупериод конденсатор С4 не успевает существенно разрядиться. Резистор R6 является элементом отрицательной обратной связи по переменному току, которая ограничивает ток базы, а следовательно, и коллекторный ток при увеличении тока базы.

Транзистор VT2 второго каскада усилителя включен по схеме с общим коллектором /эмиттерный повторитель/. Такая схема имеет сильную отрицательную обратную связь, стабилизирующую работу транзистора. Резисторы R8 и R10 выполняют функцию отрицательной обратной связи по постоянному, а резистор R10 – по переменному току.

Транзистор VT3 третьего каскада усилителя включен по схеме с общим эмиттером. Напряжение смещения на его базу /около 7 В/ подается с резисторов R9 и R15. Элементами отрицательной обратной связи по постоянному току в каскаде являются резистор R19 и конденсатор C9. Резисторы R16, R18 и R22 образуют отрицательную обратную связь по напряжению. Эта связь предназначена для стабилизации режима работы третьего каскада, который может быть нарушен вследствии разброса параметров входящих в него элементов, в первую очередь – транзистора.

Нагрузкой каскада служит первичная обмотка трансформатора T3. На входе каскада имеется схема АРУ.

Транзистор VT3 независимо от величины сигнального тока АЛСН должен работать в режиме класса А, формируя в нагрузке сигнал синусоидальной формы. Поддержание указанного режима работы транзистора обеспечивают схема АРУ и отрицательная обратная связь по переменному току, выполненная на элементах R14,

R 17, R23.

Схема АРУ, построенная на стабилитронах VD3 и VD4, резисторах R12 и R13, конденсаторах C7 и C8 предназначена для защиты усилителя в режиме приема кодовых сигналов большой мощности, импульсных помех, а также помех от высоковольтных линий электропередач.

При номинальном токе АЛСН /1,2 А – при автономной тяге, 1,4 А – при электротяге переменного тока и 2 А – при электротяге постоянного тока/ АРУ не работает. В этом случае через стабилитроны VD3 и VD4 протекает небольшие /около 0,05мА/ токи смещения, уменьшающие их сопротивление в прямом направлении. Конденсаторы С7 и С8 имеют достаточно большую емкость /20 мкФ/ и не оказывают существенного сопротивления входным сигналам, обеспечивая требуемый уровень усиления транзистором VT3. При незначительном возрастании сигнального тока под приемными катушками локомотива /до величины, не превышающей 3 А/ стабилизацию режима работы транзистора VT3 обеспечивает отрицательная обратная связь /элементы R14, R17, и R23 /, воздействующая на вход АРУ.

В случае трех-четырехкратного увеличения сигнального тока АЛСН начинает работать АРУ.

Принцип действия АРУ заключается в сравнении каждого сигнала на входе схемы АРУ по уровню /амплитуде/ с уровнем предыдущего сигнала. Если уровень следующего сигнала больше или равен уровню предыдущего, то схема АРУ пропускает этот сигнал на вход третьего каскада усилителя. В противном случае, сигнал на базу транзистора VT3 пропущен не будет. Таким образом, схема АРУ представляет собой своеобразное пороговое устройство с динамически изменяемым порогом. При этом “запоминание” уровня предыдущего сигнала /порога срабатывания/ выполняют конденсаторы C7 и С8. при увеличении сигнального тока в 3-4 раза на конденсаторах С7 и С8 появляется дополнительный потенциал ограничивающий токи, протекающие через стабилитроны VD3 и VD4. Вследствии этого “лишнее” напряжение, постоянно увеличивающееся по мере приближения локомотива к кодирующему концу рельсовой цепи, будет накапливаться на конденсаторах, а его практически неизменная переменная составляющая, несколько превышающая напряжение на конденсаторах, будет пропускаться на базу транзистора VT3. Следовательно, токи базы транзистора VT3 будут практически неизменны и не будут зависеть от уровня сигналов АЛСН.

Если же напряжение на входе усилителя уменьшится, что будет иметь место при прекращении тока АЛСН и возникновения затухающих колебаний в локомотивных фильтрах, а также затухающих колебаниях в фильтрах, вызванных импульсными помехами, то через схему АРУ сигнал переменного тока проходить не будет. Это объясняется тем, что уменьшение амплитуды затухающих колебательных сигналов на выходах фильтров будет происходить быстрее разряда конденсаторов С7 и С8 схемы АРУ. Поэтому транзистор VT3 перейдет в рабочую точку, выходное реле И выключится и искажения выходного сигнала усилителя за счет возможного удлинения импульса кода АЛСН не произойдет.

Реактивность схемы АРУ, то есть время перехода в исходное состояние после принятия сигнала максимального уровня, составляет 1,5 с.

Стабилизация напряжения питания первых трех каскадов усилителя осуществляется стабилитроном VD5 /типа КС 518 А/ и резисторами R25, R25. Недостатком этой схемы является выбор режима работы стабилитрона близким к предельно допустимым токам стабилизации, что потребовало для охлаждения стабилитрона установить радиатор.

Четвертый – выходной каскад усилителя собран по двухтактной схеме на транзисторах VT4, VT5. стабилизацию напряжения его питания обеспечивают стабилитрон VD6 /типа Д 815 Ж/ и резистор R20. Транзисторы VT4 и VT5 работают в ключевом режиме, попеременно вырабатывая импульсы постоянного тока в цепь обмотки реле И. Резистор R21 ограничивает ток в обмотке реле. Конденсатор

C10 /30 мкФ/ служит для сглаживания пульсирующего напряжения питания реле И.

Выходной узел усилителя включает реле И и его контакты: замыкающий 12-13 и размыкающий 32-33 /см.рис.2/. Причем, для упрощения их обслуживания и ремонта контакты расположены на противоположных колонках контактных пружин. Реле И снабжено противовибрационной прокладкой.

Узел регулировки усилителя содержит реле В, переключатели S1, S2 и переменные резисторы R1, R3. С помощью контактов реле В входной узел усилителя подключается либо к катушкам локомотива /реле В включено/, либо к выходам фильтра ФЛ25/75М /реле выключено/. Включение реле В осуществляется кнопкой ВК путем подачи на клемму 2 усилителя напряжения +50 В от локомотивного генератора.

Переключатель S1 включает амплитудный ограничитель на стабилитронах VD1 и VD2, уменьшая чувствительность усилителя при работе на участках с электрической тягой постоянного тока. Переключатель S2, установленный в положение, показанное на рис.2, вызывает снижение чувствительности усилителя в 1,67 раза. С помощью резистора R1 можно дополнительно подрегулировать чувствительность усилителя на частоте 50 Гц, а с помощью резистора R3 – на частоте 25 и 75 Гц.

6. РАБОЧЕЕ МЕСТО

Работа выполняется на лабораторной установке, где размещены приемные катушки, локомотивные фильтр ФЛ25/75М и усилитель УК25/50М-Д, аппаратура для формирования сигнального тока АЛСН в шлейф и измерения его величины, а также приборы для исследования режимов работы каскадов усилителя.

Величина сигнального тока / Ic / может регулироваться потенциометром / Rс / и измеряться амперметром. Длительность импульсов кода КЖ, фиксируемого локомотивным усилителем, может быть измерена электросекундомером, подключенным к реле И усилителя. Режимы работы каскадов усилителя исследуются с помощью осциллографа в контрольных точках схемы усилителя.

7. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Задание 1. Проанализировать факторы, влияющие на надежность бортовой аппаратуры локомотива и достоверность информации, передаваемой по каналам АЛСН.

Задание 2. Изучить схему локомотивного фильтра ФЛ 25/75М.

Задание 3. Изучить схему локомотивного усилителя УК25/50М-Д.

Задание 4. Пользуясь измерительными приборами, снять следующие зависимости:

, где - минимальный сигнальный ток в рельсах, при котором происходит срабатывание реле И усилителя.

Задание 5. С помощью осциллографа определить режимы работы транзисторов усилителя при различных значениях сигнального тока АЛСН: 2 и 25А.

8. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

8.1. Схема одного из каскадов усилителя с пояснением режимов работы, назначением всех элементов.

8.2. Таблица с результатами измерений электрических и временных характеристик, выводы о работоспособности усилителя.

8.3. Осциллограммы напряжений в контрольных точках усилителя и их интерпретация.

8.4. Ответы на контрольные вопросы.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. Назовите средства защиты от сосредоточенных и импульсных помех в усилителе УК25/50М.

9.2. С помощью каких схемотехнических, конструктивных и иных приемов удалось повысить надежность работы локомотивного усилителя УК25/50М-Д?

9.3. Каким образом регулируется чувствительность усилителей? Чему равен коэффициент усилителя УК25/50М-Д и чем он достигается?

9.4. Объясните работу узлов стабилизации напряжения питания.

9.5. Для чего в усилителе организована отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току? Принцип действия.

9.6. Принцип действия схемы АРУ в усилителе.

9.7. Для какой цели обмотка реле И зашунтирована конденсатором?

9.8. Как производится защита от импульсных помех, попадающих на входы отдельных каскадов усилителя по цепям питания?

9.9. В каких режимах работают транзисторы усилителя и почему?

9.10. Ваши рекомендации по дальнейшему совершенствованию локомотивных приемных устройств АЛСН.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Лисенков В.М. “Теория автоматических систем интервального регулирования”. – М.: Транспорт. 1987.-150с.

2. Леонов А.А. “Техническое обслуживание автоматической локомотивной сигнализации”. – 5-е изд. перераб. и доп. – М.: Транспорт. 1982. – 255 с.

3. Танцюра А.А., Пучин Д.К., Пустовойтов А.И. и др. “Модернизация приемной аппаратуры АЛСН числового кода”.//Автоматики, телемеханика и связь. – 1987. - № 8. -6. 30-31.

Составили: доцент Елкин Б.Н., ассистент Прокофьев А.А.

Редактор Е.Ю. Сычева

План 1990 г., №218

Подписано в печать с оригинала-макета 24.04.90.

Формат 60x84 1/16. Бумага для множ.апп. Печать офсетная.

Усл.печ.л. 0,8. Уч.-изд.л. 0,5. Тираж 300.

Заказ 691.Бесплатно.

Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта. 190031, Ленинград, Московский пр., 9.

Типография ЛИИЖта. 190031, Ленинград, Московский пр., 9.

Дата добавления: 2015-07-19